Bỏo cỏo thc tp tt nghip T ng iu khin
Đồ án đợc thực hiện gồm các phần sau:
Phần I: Giới thiệu chung về máy điện đồng bộ.
Phần II: Các sơ đồ kích từ của máy phát đồng bộ.
Phần III: Tính toán thiết kế một số phơng án
Hà Nội, ngày 25 tháng 08 năm 2002
Sinh viên thực hiện
Nguyn Tun Ngc
Sinh viờn thc hin Nguyn Tun Ngc Lp C T4 -
K1
1
Bỏo cỏo thc tp tt nghip T ng iu khin
Chng I
Gii thiu chung v mỏy in ng b
1.1. Nguyên lý làm việc của máy điện đồng bộ
Máy điện đồng bộ là thiết bị điện quan trọng đợc sử dụng rộng rãi
trong công nghiệp. Phạm vi sử dụng chính là làm máy phát điện, nghĩa là
biến đổi cơ năng thành điện năng. Điện năng chủ yếu dùng trong nền kinh
tế quốc dân và đời sống đợc sản xuất từ các máy phát điện quay bằng tuabin
hơi, tuabin khí hoặc tuabin nớc. Hai loại thờng gặp nhất là máy phát nhiệt
điện và máy phát thuỷ điện 3 pha.
Máy điện đồng bộ còn đợc dùng làm động cơ đặc biệt trong các thiết
bị lớn, vì khác với động cơ không đồng bộ là chúng có thể phát ra công suất
phản kháng.
Thông thờng các máy đồng bộ đợc tính toán, thiết kế sao cho chúng
có thể phát ra công suất phản kháng gần bằng công suất tác dụng. Trong
một số trờng hợp, việc đặt các máy đồng bộ ở gần các trung tâm công
nghiệp lớn là chỉ để phát ra công suất phản kháng. Với mục đích chính là
bù hệ số công suất cos cho lới điện đợc gọi là máy bù đồng bộ.
Ngoài ra các động cơ đồng bộ công suất nhỏ (đặc biệt là các động cơ
kích từ bằng nam châm vĩnh cửu) cũng đợc dùng rộng rãi trong các trang bị
Hình 1.2: Rôto cực ẩn
Bỏo cỏo thc tp tt nghip T ng iu khin
c. Máy bù đồng bộ:
Máy bù đồng bộ thờng đợc dùng để cải thiện hệ số công suất cos
của lới điện.
Ngoài các loại trên còn có các loại máy điện đặc biệt nh: Máy biến
đổi một phần ứng, máy đồng bộ tần số cao và máy điện công suất nhỏ
dùng trong tự động, nh động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, đồng cơ đồng
bộ phản kháng, động cơ đồng bộ từ trễ, động cơ bớc
2. Kết cấu:
Để thấy rõ đặc điểm về kết cấu của máy điện đồng bộ, ta xét 2 trờng
hợp máy cực ẩn và máy cực lồi nh sau:
a. Kết cấu của máy đồng bộ cực ẩn:
Roto của máy đồng bộ cực ẩn làm bằng thép hợp kim chất lợng cao,
đợc rèn thành khối hình trụ, sau đó gia công và phay rãnh để đặt dây quấn
kích từ.
Phần không phay rãnh còn lại hình thành nên mặt cực từ. Mặt cực
ngang trục lõi thép roto nh hình 1.3.
Thông thờng các máy đồng bộ đợc chế tạo với số cực 2P = 2, tốc độ
quay n = 3000(vòng/phút). Để hạn chế lực ly tâm, trong phạm vi an toàn
đối với hợp kim, ngời ta chế tạo roto có đờng kính nhỏ: (D = 1,1 ữ 1,15
(m)). Vì vậy muốn tăng công suất máy chỉ có thể tăng chiều dài l của roto
(l
max
= 6,5m).
Sinh viờn thc hin Nguyn Tun Ngc Lp C T4 -
K1
4
Hình 1.3: Mặt cắt ngang trục lõi thép rôto
Bỏo cỏo thc tp tt nghip T ng iu khin
K1
5
Hình 1.4: Cực từ của máy đồng bộ cực lồi
Bỏo cỏo thc tp tt nghip T ng iu khin
1. Lá thép cực từ
2. Dây quấn kích từ
3. Đuôi hình T
4. Nêm
5. Lõi thép roto.
Stato của máy đồng bộ cực lồi có thể đặt nằm ngang với máy có công
suất nhỏ, tốc độ quay cao. ở trờng hợp máy phát tuabin nớc công suất lớn,
tốc độ chậm thì trục của máy phải đặt thẳng đứng theo 2 kiểu treo và kiểu
đõ tuỳ thuộc vào cách bố trí ổ trục đỡ.
+ Ưu điểm của kiểu treo là ổn định, ít chịu ảnh hởng tác động của
các phần phụ, nhng chi phí xây dựng cao, còn kiểu đỡ là giảm đợc kích thớc
máy theo chiều cao. Do đó giảm đợc kích thớc chung của máy. Nh vậy tuỳ
theo yêu cầu mà ta phải có cách bố trí sao cho hợp lý nhất.
1.3. Các thông số chủ yếu của máy phát điện đồng bộ
Trong máy phát điện đồng bộ ngoài các thông số nh: Công suất, điện
áp, dòng điện định mức còn phải kể đến các thông số cơ bản khác của
máy phát điện đồng bộ là: điện trở, điện kháng của cuộn dây, các hằng số
quán tính điện và cơ.
1. Điện kháng đồng bộ dọc trục và ngang trục (Xd,Xq)
Sinh viờn thc hin Nguyn Tun Ngc Lp C T4 -
K1
6
Bỏo cỏo thc tp tt nghip T ng iu khin
Điện kháng đồng bộ dọc trục và ngang trục là một trong những thông
số đặc trng của máy phát điện ở chế độ xác lập. ở máy phát điện cực lồi vì
ở mặt cực, từ thông khe hở không khí là không đều, nên mạch từ không bão
=
60
n.2
Sinh viờn thc hin Nguyn Tun Ngc Lp C T4 -
K1
7
Bỏo cỏo thc tp tt nghip T ng iu khin
J =
60
GD
2
Với: G - Khối lợng vật quay
D - đờng kính vật quay
1.4. Đồ thị vectơ và các đặt tính của máy phát điện
1. Phơng trình điện áp và đồ thị vectơ của máy phát điện đồng bộ.
Đối với máy phát đồng bộ:
.
U
=
.
E
-
.
I
(r + jX
). (1 - 1)
Đối với động cơ điện đồng bộ
.
E
a. Ta xét trờng hợp máy phát điện
Trong trờng hợp này ta xét cho 2 loại máy cực ẩn và máy cực lồi. Giả
sử máy phát làm việc ở tải điện cảm có:
0 < < 90
0
Phơng trình cân bằng điện áp cho máy cực ẩn
.
U
=
.
E
+
.
E
-
.
I
(r + jX) (1 - 3)
.
E
: Sức điện động phần ứng đợc biểu thị theo điện kháng phần ứng:
Sinh viờn thc hin Nguyn Tun Ngc Lp C T4 -
K1
8
Bỏo cỏo thc tp tt nghip T ng iu khin
.
E
= j
= j IX một góc /2.
Phơng trình cân bằng điện áp cho máy cực lồi.
.
U
=
.
E
- j
.
I
d
X
d
- j
.
I
q
X
q
- j
.
I
X
-
.
I
r (1 - 5)
Vì trong máy cực lồi thành phần sức từ động đợc chia thành 2 thành
phần dọc trục và ngang trục.
= -j
.
I
q
X
- (-j
.
I
d
X
)
Sinh viờn thc hin Nguyn Tun Ngc Lp C T4 -
K1
9
Hình 1.5: Đồ thị sđđ của máy phát đồng bộ cực ẩn
Fo
E
jIX
I
F
Ir
f
Với: X
d
= X
d
+ X
X
q
= X
q
+ X
X
d
: điện kháng đồng bộ dọc trục.
X
q
: điện kháng đồng bộ ngang trục.
Biểu diễn phơng trình (1 - 6) trên đồ thị vectơ.
+ Trờng hợp mạch từ bão hoà:
Đối với máy phát đồng bộ cực lồi việc thành lập đồ thị vectơ có xét
đến trạng thái bão hoà mạch từ có gặp nhiều khó khăn. Vì lúc đó từ thông
d
và
q
có liên quan với nhau và trạng thái bão hoà theo hai phơng đó là
khác nhau. Nh vậy X
d
q
X
q
-
.
I
r
(1 - 7)
Sinh viờn thc hin Nguyn Tun Ngc Lp C T4 -
K1
10
Hình 1.6: Đồ thị sđđ đã biến đổi của máy điện cực lồi
E
Ir
U
I
I
I
d
q
X
d
jI
d
jI
q
=
Cos
Eq
Và xác định phơng của E.
Vì điểm D nằm trên phơng của
.
E
nên đoạn thẳng CF thẳng góc với
phơng của E chính là
.
I
q
X
q
Đối với máy phát điện cực ẩn ta cũng có thể dựa trên phơng trình
điện áp ở trờng hợp mạch từ không bão hoà.
.
U
=
.
E
- j
.
I
(X + X
) -
jIX
C
E
q
cos
Hình 1.8: Đồ thị Potier máy phát đồng bộ cực ẩn
jIX
Ir
U
I
jIX
E
E
F
f
F
I
q
X
q
+
.
I
r (1 - 9)
Ta có thể vẽ đồ thị vectơ cho 2 trờng hợp: Thiếu kích từ và khi quá
kích từ.
Từ đồ thị sẽ cho ta thấy công suất do động cơ tiêu thụ từ mạng điện
là:
P = m . U . I .Cos < 0
Sinh viờn thc hin Nguyn Tun Ngc Lp C T4 -
K1
12
Hình 1.9: Khi thiếu kích thích
U
Ir
E
I
I
q
jI
q
X
bằng định mức. Mặt khác ở chế độ này thông qua các đại lợng nh điện áp,
dòng điện, dòng kích từ, hệ số Cos, tần số f, và tốc độ quay n. Để phân
tích đặc tính làm việc của máy phát điện đồng bộ ta dựa vào 3 đại lợng chủ
yếu là: U, I, I
f
thành lập các đờng đặc tính sau:
a. Đặc tính không tải:
Đặc tính không tải là quan hệ: E = U
0
= f (i
t
), khi I = 0 và f = f
đm.
Dạng đặc tính không tải của máy phát điện đồng bộ cực ẩn và cực lồi
khác nhau không nhiều và có thể biểu thị theo đơn vị tơng đối:
E
*
=
E
E
đm
i
*
=
i
t
i
tđm0
Trong đó i
, nh vậy I
q
= Cos = 0 và I
d
= Isin = I
Đồ thị vectơ của máy phát lúc ngắn mạch dựa vào phơng trình cân
bằng điện áp:
.
U
=
.
E
= j
.
I
d
X
d
- j
.
I
q
X
q
-
.
I
r
Vì r = 0; I
q
Bỏo cỏo thc tp tt nghip T ng iu khin
Lúc ngắn mạch, phản ứng phần ứng là khử từ, mạch từ của máy
không bão hoà. Vì từ thông khe hở
cần thiết để sinh ra: E
=E-IX
d
= IX
rất nhỏ nên quan hệ I = f(i
t
) là một đờng thẳng.
c. Đặc tính ngoài
Đặc tính ngoài là quan hệ U = f(I). Khi i
t
= const, cos = const và f = f
đm
.
Đặc tính ngoài cho thấy lúc dòng điện kích từ không đổi, điện áp
máy phát thay đổi theo tải.
Sinh viờn thc hin Nguyn Tun Ngc Lp C T4 -
K1
15
Hình 1.13: Đặc tính ngắn mạch máy phát
i
t
I
Ta thấy với tải cảm, khi I tăng tác dụng khử từ của phản ứng phần
ứng cũng tăng nên U bị giảm. Để giữ điện áp U không đổi thì ta phải tăng
dòng điện kích từ i
t
. Ngợc lại với tải điện dung khi I tăng mà muốn giữ U
không đổi thì phải giảm dòng điện kích từ i
t
.
Sinh viờn thc hin Nguyn Tun Ngc Lp C T4 -
K1
16
L
I
đm
Hình 1.15: Đặc tính điều chỉnh máy phát đồng bộ
I
C
R
i
to
O
i
t
Bỏo cỏo thc tp tt nghip T ng iu khin
Thông thờng Cos = 0,8 (thuần cảm), thì từ không tải (U=U
đm
, I=0)
đến tải định mức (U = U
đm
, I = I
K1
17
Hình 1.16: Đặc tính tải khi tải thuần cảm
i
t
U
A'
O' B'
C'
A
B C
O
I
đm
I = f(i
t
)
U = f(i
t
)
E = f(i
t
)
I
E
Bỏo cỏo thc tp tt nghip T ng iu khin
Với mỗi giá trị của P = const, ta thay đổi Q và vẽ đồ thị suất điện
động ta xác định đợc đặc tính hình V của máy phát điện đồng bộ. Thay đổi
giá trị của P ta thành lập đợc một họ các đặc tính hình V nh sau
i
to
i
t
I
B
n
A
m
Hình 1.17: Họ đặc tính hình V của máy phát đồng bộ
T
h
i
ế
u
k
í
c
h
t
h
í
c
h
Q
u
á
Nguyên lý chung của động cơ là biến đổi công suất điện thành công
suất cơ. ở chế này ta cung cấp công suất điện P = ui, dới tác dụng của từ tr-
ờng ở cực từ sẽ sinh ra một lực điện từ: F
đt
= B
i
l.
Công suất điện đa vào động cơ:
P = ui = ei = B
i
l . V = F
đt
. V.
Nh vậy công suất điện P
đ
= ui đa vào động cơ đã biến thành công
suất cơ: P
cơ
= F
đt
. V trên trục động cơ.
Phơng trình cân bằng điện áp ở chế độ động cơ.
.
E
=
.
U
- j
.
bù làm việc ở chế độ thiếu kích thích để tiêu thụ bớt một phần điện áp rơi
trên đờng dây làm cho điện áp khỏi tăng quá giá trị định mức.
Sinh viờn thc hin Nguyn Tun Ngc Lp C T4 -
K1
20
Bỏo cỏo thc tp tt nghip T ng iu khin
Chơng II
Các sơ đồ kích từ của máy phát điện đồng bộ
2.1. Khái niệm chung
Hệ thống kích từ có nhiệm vụ cung cấp dòng một chiều cho các cuộn
dây kích thích của máy phát điện đồng bộ. Nó phải có khả năng điều chỉnh
bằng tay hoặc tự đồng điều chỉnh dòng kích thích để đảm bảo máy phát làm
việc ổn định kinh tế, với chất lợng điện năng cao trong mọi tình huống.
Trong chế độ làm việc bình thờng, điều chỉnh dòng kích từ sẽ điều
chỉnh đợc điện áp ở đầu cực máy phát, thay đổi lợng công suất phản kháng
phát vào lới điện. Thiết bị tự động điều chỉnh kích từ (TĐK) làm việc nhằm
giữa điện áp máy phát không đổi khi phụ tải biến động. Ngoài ra TĐK còn
nhằm các mục đích khác nh nâng cao giới hạn công suất truyền tải từ máy
phát điện vào hệ thống, đặc biệt khi nhà máy nối với hệ thống qua đờng dây
dài, đảm bảo ổn định tĩnh nâng cao tính ổn định động cho hệ thống điện.
Trong chế độ sự cố thì hệ thống kích từ làm việc ở chế độ cỡng bức
để duy trì điện áp của máy phát.
Để cung cấp tin cậy dòng một chiều cho cuộn dây kích từ của máy
phát đồng bộ, cần phải có một hệ thống kích từ công suất đủ lớn (thờng
dùng các loại máy phát một chiều, máy phát xoay chiều tần số cao và chỉnh
lu ).
Nh vậy một hệ thống kích từ làm việc tin cậy phải đảm bảo đợc
những yếu tố cơ bản sau:
1. Có khả năng điều chỉnh dòng kích từ: i
- Hệ thống kích từ dùng chỉnh lu có điều khiển.
1. Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều
Để điều chỉnh dòng kích từ i
t
ta điều chỉnh bằng tay điện trở R
đc
nhằm làm thay đổi dòng điện trong cuộn dây kích từ chính W
f
. Dòng và áp
trong các cuộn W
2
và W
3
thay đổi nhờ bộ TĐK, bộ này nhận tín hiệu thông
qua máy biến dòng BI và máy biến điện áp BU ở phía đầu cực máy phát
điện đồng bộ. Cuộn W
2
điều chỉnh tơng ứng với chế độ làm việc bình th-
ờng, còn cuộn W
3
làm việc ứng với chế độ kích thích cững bức khi có sự
cố.
Sinh viờn thc hin Nguyn Tun Ngc Lp C T4 -
K1
22
TĐK
Rđc
Hình 2.1: Sơ đồ kích từ dùng máy phát điện một chiều
f
Bỏo cỏo thc tp tt nghip T ng iu khin
F
Bỏo cỏo thc tp tt nghip T ng iu khin
Hệ thống này dùng 2 máy phát điện một chiều một máy kích từ phụ
và một máy kích từ chính.
Máy phát kích từ phụ tự kích song song, dòng kích từ trong cuộn W
KT
có thể điều chỉnh đợc nhờ biến trở R
KTf
và R
KT
. Dòng và áp trong cuộn W
F
của máy phát thay đổi nhờ bộ TĐK thay đổi dòng và áp đặt lên cuộn W
KTf
,
bộ này nhận tín hiệu từ đầu ra của máy phát thông qua bộ đo lờng dùng bộ
biến dòng BI và điện áp BU.
Khi thay đổi dòng kích từ của máy phát kích phụ thì thay đổi dòng
kích từ máy kích thích dẫn đến thay đổi đợc dòng điện kích từ của máy phát
chính.
+ Ưu điểm: làm việc tin cậy, độ điều chỉnh rộng.
+ Nhợc điểm: kết cấu phức tạp, giá thành cao nên chỉ dùng cho các
máy phát công suất trung bình và nhỏ.
2. Hệ thống kích từ dùng máy phát xoay chiều và chỉnh lu
a. Hệ thống kích từ dùng máy phát xoay chiều tần số cao và chỉnh lu
Máy phát xoay chiều tần số cao đợc chế tạo theo kiểu cảm ứng. Rôto
không có cuộn dây mà chỉ có 10 rãnh trên bề mặt rôto.Cuộn kích từ đặt ở
phần tĩnh, từ thông thay đổi đợc là nhờ kết cấu răng rãnh. Dòng điện và tần
số của máy kích từ tần số 500Hz đợc nối trực tiếp qua chỉnh lu cấp cho
cuộn dây kích từ chính của máy phát.
cung cấp qua bộ TĐK, bộ này nhận tín hiệu từ đầu cực của máy phát chính.
+ Ưu điểm: sơ đồ này có u điểm hơn hệ thống kích từ dùng máy phát
một chiều, thờng đợc dùng cho những máy có công suất lớn.
+ Nhợc điểm: vẫn còn tồn tại vành trợt và chổi than để cung cấp dòng
một chiều kích từ cho rôto máy phát đồng bộ.
b. Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều không vành trợt.
Với hệ thống này ta nhằm mục đích tăng công suất kích từ lớn hơn.
Trong hệ thống ngời ta dùng một máy phát xoay chiều 3 pha quay cùng trục
với máy phát chính làm nguồn cung cấp.
Máy phát kích từ xoay chiều có kết cấu đặc biệt, cuộn kích từ đặt ở
stato, còn cuộn dây ba pha đặt ở rôto. Dòng xoay chiều ba pha tạo ra ở máy
phát kích đuợc chỉnh lu thành một chiều nhờ bộ chỉnh lu công suất lớn.
Cuộn dây kích từ của máy phát chính nhận trực tiếp dòng một chiều qua
chỉnh lu không qua vành trợt và chổi than.
Để cung cấp dòng một chiều cho cuộn dây kích từ của máy phát kích
ngời ta dùng một bộ chỉnh lu có điều khiển mà nguồn cung cấp của nó có
Sinh viờn thc hin Nguyn Tun Ngc Lp C T4 -
K1
25
TĐK
Phần quay
Hình 2.4: Hệ thống kích từ không vành trợt
Copyright: Tài liệu đại học ©